基于LabVIEW的列车平稳性测量

成金娜 周劲松

摘 要：列车运行平稳性是列车品质的一个重要评价指标，Sperling指标在国内被广泛用于列车运行品质的评价。本文应用LabVIEW软件设计了感觉滤波器和生产-消费者模式，通过两个并行循环完成了地铁车辆平稳性指标Sperling指数的测量与计算。该模式不仅大幅提高了数据的采集与处理效率，也精确测量地铁车辆的平稳性指标，弥补了现有舒适度评价系统的不足，解决了现有检测仪在使用方便性、数据实时记录、评价科学性方面的问题，对国内地铁运行要求规范性有一定的使用价值和参考意义。

关键词：地铁；LabVIEW；生产-消费者模式；Sperling指数；感觉滤波器

中图分类号：U121 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）22-0097-05

Train Stability Measurement Based on Labview

CHENG Jinna ZHOU Jinsong

（Institute of Rail Transit， Tongji University， Shanghai 201804）

Abstract： The smooth running of the train is an important evaluation index of the train quality. The Sperling index is widely used in the evaluation of train operation quality in China. In this paper， the sensor filter and production-consumer model were designed by LabVIEW software. The measurement and calculation of the Sperling index of the stability index of the metro vehicle was completed by two parallel cycles. This mode not only greatly improved the data collection and processing efficiency， but also accurately measured the stationarity index of metro vehicles， made up for the shortcomings of the existing comfort evaluation system， and solved the problems of convenience in use， real-time data recording and scientific evaluation of existing testers， and had certain value and reference significance for the standardization of metro operation requirements in China.

Keywords： subway；LabVIEW；produce-consumer model；Sperling；sensory filter

對于舒适度和平稳性的检测和评价，德国、日本、法国和美国都进行了专门研究，特别是通过大量试验，制定了适合本国的具体方案，如德国Sperling平稳性指标、日本的舒适度曲线和法国的疲劳时间法等。ISO和UIC也分别制定了相应的铁路标准[1]，用于平稳性指标的判别。国内高校和科研院所，在舒适度与平稳性测试仪的研制方面也做出了很多尝试。北京交通大学研制了基于ARM和嵌入式Linux操作系统的铁道平稳性测试系统[2，3]；西南交通大学[4，5]以虚拟仪器、单片机和DSP处理器对平稳性测试仪进行了研究；铁道部科学研究院[6]研制了三维加速度及平稳性指标仪，采用DSP技术实时计算平稳性指标。通过分析国内研究可以发现，早期舒适性与平稳性测试仪以虚拟仪器为计算核心，以计算机为载体，可以满足数据分析与处理的要求，但灵活性不足，体积稍显庞大。随着科技的发展和LabVIEW软件的蓬勃发展，基于LabVIEW设计平稳性测量系统，灵活性好，便于携带，稳定性高，成本低。该系统可进行加速度的检测与评价，实时监控列车运行及平稳性状态。

1 测量平稳性设计原理

整个测试系统包括振动加速度测量模块、数据采集处理模块及地面数据处理模块。测试系统的核心部分是数据采集和处理装置，其作用是获得信号并显示具体振动值，同时进一步进行频谱分析、显示平稳性指标，主要实现以下几方面功能。①数据采集功能，系统可以随时采集振动加速度信息，然后在系统前面板进行显示；②数据处理功能，对振动数据进行频谱分析，快速傅里叶变换，转变成平稳性指标；③存储功能，把所采集的振动数据和每个时间段平稳性指标存储起来。分析流程如图1所示。

图1 分析流程图

通过生产-消费者模式将测定的振动幅值及Sperling指标读出，进行下一步分析。生产者/消费者设计模式采用队列数据存储方式。队列能很好地消除竞争状态关系，并实现数据的同步传输，还具有数据缓冲区，可存储多份数据并保证数据不会丢失或被覆盖[7]。队列数据存储实际是开辟一个缓存区，依据先进先出的原则，保证生产循环中产生的数据通过队列的方式顺利传递到消费者循环中，从而实现生产者循环与消费者循环之间的通信[8]。在该设计中建立生产-消费者模式，将数据采集和数据处理分配给两个并行循环完成，在生产者循环中完成加速度的测量，消费者循环中完成感觉滤波器设计、数据处理及傅里叶变换。LabVIEW中的生产模式程序框图如图2所示，消费者程序框图如图3所示，前面板图如图4所示。该设计进行加速度实时记录与测量，并实时给出相应的平稳性指标Sperling指数。测量车辆运行时的垂向或横向振动，并显示出相应Sperling指标，用以评价车辆运行平稳性。

图2 LabVIEW生产模式图

4 垂向平稳性测试

垂向数据采集后，在LabVIEW读文件中打开，30km/h的测量图前面板图如图9，时域图如图10（a），频域图如图10（b）；40km/h时域图如图11（a）所示，频域图如图11（b）所示，50km/h时域图如图12（a）所示，频域图如图12（b）所示。

图9 30km/h的测量前面板图